大学物理实验设计性实验提要

实验三、《用小型棱镜摄谱仪测量激光的主谱线波长》
实验提要
实验课题及任务：
《用小型棱镜摄谱仪测量激光的主谱线波长》实验课题任务是，用小型棱镜摄谱仪测量激光的波长。

提示：在实验室现有的条件下，用小型棱镜摄谱仪来测量激光光谱主谱线的波长，有两种方法。

（1）、读谱法：参阅以开实验MP-2《光谱的拍摄与测量》，的读谱方法。

（2）、摄谱法：参阅以开实验MP-2《光谱的拍摄与测量》，的摄谱方法。

学生根据自己所学知识，设计出《用小型棱镜摄谱仪测量激光的主谱线波长》的整体方案，内容包括：（写出实验原理和理论计算公式；选择测量仪器；研究测量方法；写出实验内容和步骤。

）然后根据自己设计的方案，进行实验操作，记录数据，做好数据处理，得出实验结果。

按书写科学论文的要求写出完整的实验报告。

设计要求与提示：
（1）、采用读谱法测量激光波长，方法和《光谱的拍摄与测量》实验的读谱法基本上是相同的，不同的是如何将已知光源和待测光源的光，同时照射到摄谱仪的狭缝上（这是该实验的关键），再通过读谱仪进行测量，测量方法和《光谱的拍摄与测量》相同。

（2）、采用摄谱法测量激光波长，方法和《光谱的拍摄与测量》实验的摄谱法基本相同，但问题的是如何将已知光谱和待测光谱的光强调配好，因为激光的光强比汞灯和钠灯都强得多，拍摄时的曝光时间要掌握准确，否则排出的底片洗出冲洗后效果不好，甚至失败。

这样就需要设计好各次曝光时间、显影时间、定影时间，显影、定影药液的选择与配置，测量谱线距离时要用读数显微镜测量等。

（3）、该实验有多种方法，可以根据上面的提示来设计，也可以根据自己的设想和方法来设计。

（4）、选择实验仪器，小型棱镜摄谱仪、光源（汞灯、钠灯、激光器）、读数显微镜、聚光镜、光谱干板及冲洗设备。

（5）、设计出实验方法和实验步骤，要具有可操作性。

（6）、实验结果用标准形式表达，即用不确定度来表征测量结果的可信赖程度。

实验所用公式及物理量符号提示：
参阅《大学物理实验补充讲义》，实验MP-2《光谱的拍摄与测量》一文。

评分标准（10分）
（1）、正确的写出实验原理和计算公式，2分；
（2）、设计出仪器可行设置，2分；
（3）、做好实验前的准备，1分；
（4）、写出实验内容及步骤，2分；；
（5）、制作实验器材和实验室条件的合理应用，1分；
（6）、写出完整的实验报告，2分；（其中实验数据处理，1分、实验结果，0.5分，整体结构，0.5分）
思考问题：
（1）如何使用哈特曼光阑？
（2）狭缝调节在什么范围内较合适？
（3）装底片应该在什么条件下安装？
（4）如何降低激光的光强？
（5）测量光谱底片时要注意什么？
学时分配：实验验收， 3学时，在实验室内完成；教师指导（开放实验室）和开题报告2学时；
参考文献：
教学参考书。

实验五、《CD-R光盘轨道密度的测定》实验提要实验课题及任务：
《CD-R光盘轨道密度的测定》实验课题任务是，测量一张CD-R光盘的轨道密度。

方法提示：
一、平面反射光栅衍射法
用一张废旧的CD-R光盘利用粘贴遮盖的方法制作一个平面反射光栅（制作时不用把光盘损坏，用黑纸把不需要的部分遮住即可），根据光源的已知光谱（如激光器光源），利用平面反射光栅反射光的衍射现象，在光屏上能得到衍射花样，分析衍射花样，找出规律，设计出实验方案。

二、平面透射光栅衍射法
用一张废旧的CD-R光盘利用拨膜遮盖的方法制作一个平面透射光栅（制作时不用剪切光盘），根据光源的已知光谱（如激光器光源），利用平面透射光栅的衍射现象，在光屏上能得到衍射花样，分析衍射花样，找出规律，设计出实验方案。

学生根据自己所学知识，设计出《CD-R光盘轨道密度的测定》的整体方案，内容包括：（写出实验原理和理论计算公式；选择测量仪器；研究测量方法；写出实验内容和步骤。

）然后根据自己设计的方案，进行实验操作，记录数据，做好数据处理，得出实验结果。

按书写科学论文的要求写出完整的实验报告。

设计要求：
（1）、选择上述所列方法之一（也可以另选它法），自制一个与实验设计相应的光栅，通过在实验室观察光栅的衍射现象，绘制出光路图，通过对光路图的分析，找出光栅方程与光路图中的那些物理量（即待测量的物理量）有关，根据光栅方程和待测物理量的关系推导出计算公式，写出该实验的实验原理。

（注：这一步是本实验的关键所在，
得先到实验室观察实验现象，通过实验现象的观察，绘制出光路图，分析论证，找出规律，才能写出实验原理。

）
（2）、该实验有多种方法，可以根据上面的提示来设计，也可以根据自己的设想和方法来设计。

（本次实验不采用分光仪测光栅法，因为光栅不容易制作）
（3）、选择实验仪器，CD-R 光盘自备；实验室提供：米尺（10m/0.005m 、3m/0.001m 、30cm/0.1cm ）、光源（汞灯、钠灯、激光器）、光具座（套）供选择，也可以自制辅助器件等。

（4）、设计出实验方法和实验步骤，要具有可操作性。

（5）、测量时那些物理量可以测量一次，那些物理量必须得多次测量，说明原理。

（6）、实验结果用标准形式表达，即用不确定度来表征测量结果的可信赖程度。

实验仪器的选择及提示：
（1）、光栅：选在光具座上用衍射光屏方法的实验，用一张废旧的CD-R 光盘，稍加处理制作一个平面（反射、透射）光栅。

（2）、米尺：10m/0.005m 、3m/0.001m 、30cm/0.1cm 任选。

（3）、光源：钠灯、汞灯、激光器，任选。

（4）、可以在光具座上用激光器直接衍射到光屏上。

（5）、可以自制实验器材，如条型光屏，自带胶带和光屏用纸，也可以借助现有实验室的条件。

实验所用公式及物理量符号提示：
（1）、光栅方程: λϕk d =⋅sin (k =0、±1、±2、±3、……)
式中b a d +=（其中a 为光栅缝宽，b 为相邻缝间不透明部分的宽度）为相邻狹缝之间的距离，称为光栅常数，λ为光波波长，k 为衍射光谱线的级次。

（2）、用x 表示谱线到0级谱线的距离，用y 表示光栅到0级谱线的垂直距离。

评分标准（10分）
（1）、通过观察实验现象，找出实验规律，画出光路图，1.5分；
（2）、正确的写出实验原理和计算公式，2分；
（3）、正确的选用仪器和测量方法，1分；
（4）、写出实验内容及步骤，2分；
（5）、制作实验器材和实验室条件的合理应用，1分；
（6）、写出完整的实验报告，2.5分；（其中实验数据处理，1分、实验结果，0.5分，整体结构，1分）
思考问题：
（1）、光栅与光屏之间的距离多远比较合适？
（2）、激光光源照射反射光栅的角度在什么范围内较合适？
（3）、改变光源和光栅的距离是否对衍射花样有影响？
（4）、如何确定0级谱线的位置？
（5）、光栅与光屏的距离测量，该实验应采用单次测量还是多次测量？单次测量能否满足测量精度的要求？
学时分配：实验验收， 3学时，在实验室内完成；教师指导（开放实验室）和开题报告2学时；
参考文献：
参阅各实验书籍中的夫琅和菲衍射原理及光栅衍射原理。

《创造性物理演示实验》宣桂鑫江兴方编著华东师范大学出版社实验五十三CD光栅。

《基础物理实验》沈元华陆申龙主编高等教育出版社实验3-14《利用钢尺测量激光的波长》。

实验六、《用钢板尺测量激光的波长》实验提要课题的提出和依据
光是一种电磁波，光在真空中的波长不同，性质也不同．如波长小于390nm的光波叫紫外光，它有杀菌作用；波长大于770nm的光波叫红外光，它能传递热量．波长在390nm至770nm之间的光波是人眼可见的，叫可见光，不同波长有不同的颜色：如波长为390～446nm的光是紫色的，波长为620～770nm的光是红色的，橙、黄、绿、蓝各色依次排列其间，都由其波长决定，而与其强度、方向等因素无关．由此可见，光的波长是决定光波性质的最重要的参数之一．那么，怎样才能测出光的波长呢?可见光在真空中(或空气中)的波长只有万分之几毫米，这么短的长度又怎么用毫米刻度尺去测量呢?
本实验用最小分度为0.5 mm的普通钢尺“量”出只有0.000 6 mm左右的波长，而且看到了反射角不等于入射角的“奇怪”现象．它说明，反射定律只是在一定条件下才成立的，如果反射面上刻有许多很细而且等间距的刻痕，就可使不同波长的光反射到不同的方向去，这就是现代高科技中常用的光学元件——“光栅”的雏形．光栅是一种比棱镜更好的分光器件。

如果利用光栅的衍射原理就不难用普通的钢尺测量出激光的波长。

实验课题及任务：
《用钢板尺测量激光的波长》实验课题任务是，利用光的波动性，用一把钢板尺，通过用激光照射钢板尺的带有刻度的一面而反射到光屏上的衍射花样，根据激光的相干性和反射光的干涉原理，经过分析，找出规律，测量出激光的波长。

学生根据自己所学知识，设计出《用钢板尺测量激光的波长》的整体方案，内容包括：（写出实验原理和理论计算公式；选择测量仪器；研究测量方法；写出实验内容和步骤。

）然后根据自己设计的方案，进行实验操作，记录数据，做好数据处理，得出实验结果。

按书写科学论文的要求写出完整的实验报告。

实验原理提示：
众所周知，用一把普通的钢
尺，可以方便地测量出一本练习
簿的长度和宽度，而要测量它的
厚度就有些困难了，因为钢尺上
两相邻刻线的间距是0.5 mm 或l mm ，而一般练习簿的厚度也不过l mm 左右，所以很难测准．现在要用这把钢尺去测量只有万分之几毫米的光的波长，这看来似乎是不可能的。

如果实验利用光的波动性
质，用一把普通的钢尺就能够巧
妙地把这么短的波长测出来．它
的测量原理如图3—52所示：
让一束激光照到钢尺的端
部，其中一部分激光从钢图3—
52激光在钢尺上的衍射尺上方
直接照到观察屏上的－S 。

点，
其余激光从钢尺表面反射到屏
上．在屏上除了与－S 。

对称的
S 。

点有反射亮斑外，还可看到
一系列亮斑S 。

、S 1、S 2、S 3……S n.。

这是因为，尺上是有刻痕的(刻痕的间距是d =0.5 mm)，光在两刻痕间的许多光滑面上反射，这些反射光如果相位相同(即波峰与波峰相遇，波谷与波谷相遇)，则它们会相互叠加而加强，形成亮斑，否则会相互抵消而减弱．由图3—53可知，从光源某一点A 发出而在相邻光滑面B 、B ’反射的光，到达屏上C 点时所经过的路程差(称为光程差)为：
△=ABC －AB /
C =B
D /一DB /=d (cos α一cos β ) (1) 若△恰好等于零或等于波长λ的整数倍，则这些反射光的相位就相同，屏上C 点就会出现亮斑．显然，在αβ=处，△=0，这就是在S 。

处的亮斑．在S 1、S 2、S 3、S 4、……处，必有：
△=λ，△=2λ，△=3λ，△=4λ……．
因此，由(1)式可知：
d (cos α一cos β1 ) =λ (2)
d (cos α一cos β2 ) =2λ (3)
d (cos α一cos β3 )=3λ (4)
d (cos α一cos β4 ) =4λ (5)
其中d =0.5 mm 是已知的，因此，只要测出α和1β、2β、3β、4β……就可从以上各式
算出波长λ的值．实验中，使尺与屏垂直，则：
tan β=h/L (6)
其中，L 是尺端到屏的距离，h 是各亮斑到O 点的距离，而O 点位于S 。

点和一S 。

点的中心．量出各亮斑间的距离即可求得各β值，而对应于亮斑S 。

的β就是α。

设计要求：
（1）、写出该实验的实验原理，推导出波长 的计算公式。

确定待测的物理量。

（2）、选择实验测量仪器要符合精度要求，测量值相对误差在1%之内，并说明选择仪器的理由，确定相应物理量的测量仪器。

（3）、写出实验内容及步骤。

设计的实验步骤要具有可操作性（写出测量时实验装置的摆放及其位置角度、应该注意的事项及实际测量的方法等）。

（4）、设计出实验测量原始数据的表格。

（5）、实验结果用标准形式表达，即用不确定度来表征测量结果的可信赖程度。

测量仪器的选择及提示：
小型半导体激光器一支，普通钢尺一把，卷尺一把，胶带纸若干，纸若干，垫高物等。

评分标准（10分）
（1）、正确的写出实验原理和计算公式，2分；
（2）、正确的选用仪器和测量方法，1分；
（3）、写出实验内容及步骤，2分；
（4）、实验仪器的整体设置合理，2分；
（5）、原始数据表格，0.5分；
（6）、写出完整的实验报告，2.5分；（其中实验数据处理，1分、实验结果，0.5分，整体结构，1分）
学时分配：实验验收， 3学时，在实验室内完成；教师指导（开放实验室）和开题报告2学时；
参考文献：
《基础物理实验》沈元华陆申龙主编高等教育出版社。